预应力混凝土槽形梁静力行为研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 铁道建筑 Rai l wa y En g i n e e r i ng 文 章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 0 1 - 0 4 预应力混凝土槽形梁静力行为研究 徐 勋 ， 肖 林 ， 王 炎 ， 司秀勇 ( 1 西南交 通大学 土木工程学 院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 浙江大学 土木工程系 ， 浙 江 杭州 3 1 0 0 5 8 ； 3 燕 山大学 建筑工程与力学学 院 ， 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4 ) 摘要： 为了解槽形梁静 力行 为， 进行 了一片预制预应力混凝土槽形 梁的模型试验， 分别考虑跨 中最大弯 矩及 梁端 最 大剪力 两种荷 载 工 况对试 验模 型进 行加 载 ， 测试 了试 验模 型的控 制 断 面的应 力、 变形 。并 采 用非线性有限元分析 方法对槽形梁的力学特性进行 了研 究。试验和研 究得到 了如下结论： 该槽形梁的 剪力滞效应较为突出， 具有明显的开 口薄壁杆件特征 ， 底板 的空间板效应明显 ， 在设计荷载作用下结构 处于线弹性状态， 具有一定的安全储备。 关键词 ： 预应力混凝土槽形梁 模型试验静力行为 有限元分析 中图分 类 号 ： U 4 4 8 5 3 文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 1 0 1 槽形梁可以看作是底板与作为主要受力结构的腹 板之间相结合而成的板梁空间组合结构 ， 能有效减少 和控制桥梁建筑高度 ， 在梁下净空受限制的情况下 ， 可 充分发挥其结构优势 ， 被广泛应用于铁路桥、 公路桥及 城市高架桥 。国内已经建成 的槽形梁一般采用纵 梁 +底板 的构造形 式， 如广州地铁二号线 、 南京地 铁二号线高架桥 ； 上海轨道交通 6号线采用了纵、 横 梁 + 底板的构造 。 槽形梁的结构特点是 主梁腹板作 为主要受力 构 件 ， 又兼作隔音墙和防止车辆倾覆 ， 具有建筑高度低 、 断面空间利用率高、 外形美观等优点 。随着轨道交 通建设的发展 ， 槽形梁的应用 日益广泛， 对槽形梁力学 性能 的研究也愈发重要 ， 广州地铁 和南京地铁 的建造 过程 中分别进行 了标准槽形梁段 的模型试验 ， 重庆轻 轨一号线建设过程 中也进行 了槽形梁的荷载试 验 ， 但针对槽形梁的理论与试验研究仍相对滞后。 槽形梁具有开 口薄壁构件受扭性能差 ， 纵梁 与底 板连接构造复杂 ， 底板弯矩受主梁的扭转刚度影 响较 大 ， 预应力张拉工艺复杂等特点 。本文针对某轻轨 后 张法 预 应力 混凝 土 槽 形 简 支 梁 ， 结 合 非 线 性有 限元 分析和模型试验 ， 对其静力行为进行了研究。 1 结构概况 该槽形梁为整孔预制预应力混凝土简支梁 ， 跨度 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 5 1 4； 修回 日期 ： 2 0 1 2 0 9 2 5 作者简介 ： 徐勋 ( 1 9 7 9 一)， 男 ， 四川 泸州人 ， 讲 师， 博士 。 为 3 0 m， 标 准梁 段 的横断 面构 造如 图 1 所示 。 5 0 00 7 5 图 1 槽形 梁构造 ( 单位 ： mil 1 ) 标准梁高为 1 8 In， 端部梁高 1 9 4 m。纵梁采用 曲线的异型 r字形截面 ， 最大腹板厚度仅 3 7 c m。底 板厚度在跨 中为 2 6 c m， 梁端加厚为 4 0 c m。主梁采用 C 5 5混凝土 ， 底板混凝土掺聚丙烯纤维。主梁沿纵 向 布置 1 0束预应力筋 ， 两道腹板各布置 1 道纵向预应力 筋 ， 底板布置 8道纵 向预应力筋。 距离底板 中心线两侧 3 0 c m处 ， 各设置一道宽 8 0 c m， 高 3 0 c m 的混凝土行车道板。行车道板在主梁槽 形梁预制完成后现浇， 与底板共 同承受活载作用。轻 轨轨道铺设于行车道板之上 。 从结构受力的角度而言 ， 槽形截面是一种不太合 理的截面形式， 因为在正 弯矩作用下大部分截面位于 受拉区。从结构方案 的角度而言， 槽 形梁 的荷载主要 通过底板传递至纵梁下部 ， 纵梁下缘承受吊拉力作用 。 同时 ， 预应力混凝土槽形梁属于开 口薄壁构件 ， 其受扭 性能差 ， 底板剪力滞效应突出， 采用普通梁单元理论难 以进行分析。 2 铁道建筑 2模型试验 2 1 试验 加载 方案 试验主要考察槽形梁在设计荷载作用下的变形与 应力分布。按照 地铁设计规范 ( G B 5 0 1 5 7 -2 0 0 3 ) ， 采 用空 间有 限元分 析得 到槽形 梁 在主力 +附加力 组合 下 的跨 中最 大 弯 矩 为 1 2 8 0 3 k N m， 支 座 处 最 大 剪 力 为 1 7 6 0 3 k N， 扣 除 自重引起 的恒 载效 应后 ， 跨 中最大 弯矩 为 5 2 5 0 k N I n ， 支座 处最 大剪 力为 8 7 0 k N。 试验模型采用混凝土块与钢锭进行加载， 二期恒 载采用混凝土块模拟 ， 活载轴重集中力采用钢锭模拟。 考虑跨中最大弯矩 、 梁端最大剪力两种荷载工况 。加 载布 置如 图 2所示 。 图 2 模 型加载横 断面示意 ( 单位 ： c m) 1 ) 工况一 ， 跨中截面最大弯矩加载。该工况 主要 考察槽形梁跨 中承受最大设计弯矩时结构的应力与变 形情况。使用 2 2块混凝土及 1 2块钢锭加载 ， 混凝 土 块总重 4 1 2 5 k N、 钢锭 总重 6 6 5 9 k N， 试验荷载作用 下跨 中 弯 矩 值 为 5 2 3 5 6 k N m， 加 载 效 率 系数 为 0 9 9 7 。在加载混凝土块与钢锭块时， 在横向保持对称 加载 。该 工况 分 5级 加载 ， 以设计 荷 载 的 2 0 作 为 增 量加载至设计荷载 ， 然后卸载。在各级荷载作用下 ， 持 荷 5 mi n ， 进行 应 变 、 变形 测 量 。 2 ) 工况二 ， 梁端截面最大剪力加载 。该工况主要 考察槽形梁支座处承受最大设计剪力时结构的应力与 变形情况。使用 2 2块混凝土及 1 6块钢锭 ， 混凝土块 总重 4 1 2 5 k N、 钢 锭总重 9 7 3 1 k N。试 验荷 载作 用 下 梁端剪力值为 8 6 7 1 k N， 加载效率 系数为 0 9 9 6 。加 载顺序与工况一相同。 2 2试 验测试 方 案 1 ) 混凝土应力测试 。通过混凝 土应力 的测试 ， 了 解混凝土应力分布规律和混凝土结构的安全性是否满 足要求。混凝土的应力采用电阻应变片和振弦传感器 测量 。在支座及跨 中截面、 跨 中截面左右各 3 0 c m处 进行混凝土应力测点布置。混凝土应力测点布置横断 面如 图 3所示 ， 共 布置混 凝土 应力 测点 1 7 2个 。 2 ) 钢 筋 应 力 测 试 。钢 筋 的应 力 是 反 映 结 构 受 力 状态 的重要参数 ， 钢筋应力采用电阻应变计和振 弦式 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 T 纵 向混凝 土电阻应变 片 混凝土 电阻应 变花 纵向与横向混凝土应变片O纵向混凝土应变计 图 3 混凝土应力测点布置 钢筋计测量。在跨中截面及其左右各 3 0 c m处布置钢 筋应力测点。共布置钢筋应力测点 1 0 5个。 3 ) 位 移 测 试 。位 移 测 试 的 目的是 得 到 试 验 模 型 的变形量 ， 采 用千分 表测试 位 移 。分 别在 主梁 支座处 、 1 4跨 及 跨 中 5个截 面 上 布 置 位移 传 感 器 ， 每 个 截 面 上在腹板顶部对称布置 2个位移传感器测量腹板的倾 覆变形 ， 在底板底部布置 3个 位移传感器测量主梁 的 竖向变形 ， 共有位移传感器 2 5个。 2 3试 验 结果及 分析 由于试验模型测点较多， 限于篇幅不能一一列举 ， 本文只给出部分代表性测点的试验结果 。 1 ) 应变测试结果 以受压为负 ， 受拉 为正， 应变单 位为 1 0。在工 况一 试验 荷 载作 用 下 ， 腹板 顶 部 混凝 土纵 向应 变 一1 3 6一1 8 5， 底 板 上 表面 混凝 土纵 向应 变 4 5 6 0 ， 底 板 下表 面 混 凝 土 纵 向应 变 9 11 1 8 。腹 板顶部 钢筋 纵 向应 变 1 4 9 1 8 7 ， 底 板 上 层 钢 筋 纵 向应变 4 9 7 6 ， 底板下层钢筋纵向应变 9 61 1 5 。混 凝土表面应变片、 混凝土计及钢筋应变片测试结果一 致性 良好 。 由于 该槽 形梁 左 右腹 板 不 对 称 ， 因此 测 得 左 右 腹 板的应变值并不相 同。由于剪力滞效应 ， 腹板外侧纵 向应变值大于内侧 ， 底板两侧纵 向应变值大于底板 中 间 。荷 载作 用使得 底 板 纵 向拉 伸 ， 因此 必 须 在底 板 设 置 足够 的纵 向预应 力筋 以抵抗 拉应 力 。 底板的板效应 明显 。沿底板横 向， 荷载产生 的正 弯矩使得底板上表 面受压 ， 而下表面受拉 。底板较薄 不宜设置横 向预应力筋 ， 故通过在底板混凝 土掺聚丙 烯纤维提高其抗拉强度。 2 ) 位移测试结果。表 1 列 出了在荷载工况一 、 工 况二作用下主梁截面 的最大位移 。其中腹板顶部 D1 测 点 和 D 5测 点测试 腹 板 的横 向变形 ， 以 内倾 为正 ， 外 倾为负。底板底部 D 2 ， D 3 ， D 4测点测试底板的竖 向变 形 ， 以下挠为正。从表 1中可 以看出， 在荷载作用下跨 中腹板存在 内倾的趋势而梁端腹板发生外倾变形。荷 载作用下的主梁跨中最大挠度为 1 4 5 IT l m。 2 0 1 3年第 1期 徐勋等 ： 预应力混凝 土槽 形梁静力行为研究 3 -0 8- 0 l6 。 筵 0 2 0 ! 5 O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 应力 MP a ( a ) 工况一跨中测点应力 3非线性有 限元分 析 1 O 0 8 。 一 6 榔 榨 0 4 0 2 O l 。 。 裴 一剪 应 力 一第二主应力0 7 1 - 等 一 丰 应 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 -5- 4- 3- 2 - 1 0 1 2 3 位移 m m 应力 MP a ( b ) 工况一跨中测点位移 ( c ) 工况二梁端测点1 8 应力 图 4 槽形梁 的荷 载 一响应 曲线 3 1 有 限元模 型 的建 立 采用通用软件 A N S Y S对槽形梁 在荷载作 用下的 应力与变 形情况进 行分析 。混凝 土结构 采用 S O L I D 9 5单元模拟 ， 普通钢筋 和预应力钢绞线采用 L I N K 1 0 单元模拟。模型共划分 8 3 5 6 0 个单元。 3 2有 限元 分析 结果 限于篇幅， 本节只示 出荷载工况一作用下的有限 元分析结果 ， 表 3列出实测值与有限元计算值的比较 。 从表 3的对比结果可 以看 出， 模型试验测试值与 非线性有限元分析结果较吻合 ， 绝对误差较小 ， 部分低 表 3 跨 中截 面应 力有限元分析结果与试验结果比较 4 铁道建筑 J a n u a ， 2 0 1 3 应力 区域 的相 对误 差 稍 大 ， 总 体 校 验 系数 为 0 6 9 1 0 6 。有限元分析得到的应力值及应力分布规律与试 验结果基本一致 ： 沿槽形梁纵向， 跨中腹板上缘受压而 底板受拉 ， 腹板外侧纵向应力值大于内侧 ， 底板外侧纵 向应 力值 大 于 内侧 ； 沿槽 形梁 横 向 ， 底 板 上表面 受压 而 下表 面受 拉 。 表 4列出了部分测点位移计算结果与试验结果 的 对比。从表 4可以看出位移计算值与实测值吻合较好。 表 4跨 中截面位移有 限元分析结果与试验结果比较 测试结果表明， 测点 的应力测试结果与计算结果 一 致性良好 ， 两者互为补充 ， 验证了模型试验与有限元 分析结果的可靠性。 4 结论 1 ) 槽形梁结构 的剪力滞效应较明显 ， 纵向应力沿 槽形梁截面高度方 向并 非线性分布 ， 底板中间应力水 平小 于两侧 ， 对于槽形梁结构的力学行为不宜采用梁 单 元进 行分 析 。 2 ) 由于槽形梁属于开 口薄壁杆件 ， 在竖向荷载作 用下 ， 主梁跨 中腹板 内倾 ， 梁端腹板外翻 ， 使得跨 中与 梁端的应力分布产生差异 。 3 ) 底板 的空 间板效应明显 ， 荷载作用下底板将在 截 面横 向发生 挠 曲 ， 导致 底 板 下 缘 出 现 一定 的横 向拉 应力 。 4 ) 设计荷载作用下 ， 该槽形梁 的应力水平未超出 规范给定的材料强度限值 ， 结构处于线弹性状态 ， 具有 一 定的安全储备。 参 考 文 献 1 周道生 槽形梁 J 铁道 建筑 ， 1 9 8 0 ( 9 ) ： 3 0 - 3 1 2 王淼 ， 顾萍 预制 主梁现浇道床板 的槽形梁研究 J 同济大 学学 报 ， 2 0 0 3 ， 3 7 ( 7 ) ： 8 0 8 8 1 2 3 苏建华 地 铁槽形 梁的静 载破 坏试 验分 析 J 特种 结构 ， 2 0 0 8， 2 5 ( 3)： 8 4 8 6 4 黎庆 南京地铁 2号线东延 高架线路 槽形梁结 构计算 及试 验 J 城市轨道交 通研究 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 8 1 2 5 欧 阳辉来 ， 王东 民 ， 刘兰 槽形梁设计 、 研 究与体会 J 桥梁 建设 ， 2 0 0 6 ( 增 2 ) ： 5 6 6 0 6 贺 恩怀 槽形梁在城市轨 道交通 工程 中的应用 J 铁道工 程学报 ， 2 0 0 3 ， 7 8 ( 2 ) ： 1 3 1 6 7 西南交通 大学 重庆轨道交通一号线工程 3 0 m U型梁静载 试验报告 R 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 9 8 胡匡璋 ， 江新元 ， 陆光 间 槽形 梁 M 北京 ： 中 国铁 道 出版 社 1 9 8 7 S t u d y o n s t a t i c be h a v i o r o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e t r o u g h g i r d e r s XU Xu n ，XI AO L i n ， W ANG Ya n ， S i Xi u y o n g ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g Un i v e r s i t y， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 5 8， C h i n a； 3 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g& Me c h a n i c s Y a n s h a n U n i v e r s i t y ， Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e s t a t i c be h a v i o r o f c h a n n e l b e a m ，t hi s p a p e r ma d e a mo d e l t e s t f o r a c h a n n e l s h a p e p r e c a s t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m ， wh i c h i s l o a d e d b y c o n s i d e r i n g t wo d i f f e r e n t e n g i n e e r i n g c o n d i t i o n s o f t h e ma x i mu m b e n d i n g mo me n t a t t h e mi d d l e s p a n a n d t h e ma x i mu m s h e a r a t t h e b e a m e n d r e s p e c t i v e l yo b t a i n e d t h e s t r e s s a n d d e for ma t i o n f o r e o n t r o l s e c t i o n o f t e s t mo d e l ，a n d s t u d i e d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y o f c ha n n e l b e a m t h r o u g h a d o p t i n g t h e n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y s i s Th e r e s u l t s s h o we d t h a t s h e a r l a g e f f e c t o f t h e c h a n n e l b e a m wh i c h h a s t h e f e a t u r e o f o p e n t h i n wa l l e d me mb e r i s p r o mi n e n t a s we l l a s s p a c e p l a t e e f f e c t o f t he b a c k p l a n e，a n d t h e s t r uc t u r e o f c h a n n e l b e a m i s i n l i n e a r e l a s t i c s t a t e u n d e r t h e d e s i g n l o a d s a n d h a s c e r t a i n s e c u r i t y r e s e r v e Ke y wo r ds ：Ch a n n e l S ha p e P r e s t r e s s e d Co n c r e t e Be a m；Mo d e l t e s t ；S t a t i c b e h a v i o r ；F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ( 责任 审编 赵其文)